原子間力顕微鏡イメージングおよびサポートされている脂質二重層のフォーススペクトロスコピー
Summary
We describe a protocol for preparation of supported lipid bilayers and its characterization using atomic force microscopy and force spectroscopy.
Abstract
Atomic force microscopy (AFM) is a versatile, high-resolution imaging technique that allows visualization of biological membranes. It has sufficient magnification to examine membrane substructures and even individual molecules. AFM can act as a force probe to measure interactions and mechanical properties of membranes. Supported lipid bilayers are conventionally used as membrane models in AFM studies. In this protocol, we demonstrate how to prepare supported bilayers and characterize their structure and mechanical properties using AFM. These include bilayer thickness and breakthrough force.
The information provided by AFM imaging and force spectroscopy help define mechanical and chemical properties of membranes. These properties play an important role in cellular processes such as maintaining cell hemostasis from environmental stress, bringing membrane proteins together, and stabilizing protein complexes.
Introduction
原子間力顕微鏡（AFM）は、非常に鋭い先端を有するカンチレバー1を用いて、試料の領域を横切って走査することにより、表面の画像を生成します。カンチレバーの動きは、試料の表面形状をプローブ。液体2-5に空気やネイティブに近い状態で固定したサンプルを分析することで、その汎用性のために、タンパク質、DNA、および膜を含む- AFMは、広く生体分子に適用されています。
別にナノメートルの範囲内の高解像度の撮像能力から、AFMカンチレバーは、相互作用力（粘着力と反発力）と、試料5,6の機械的特性を調べるために、ばねとして作用します。これは、力分光法として知られています。このモードでは、プローブは、最初のサンプルに近づき、それに力を及ぼし、それはサンプル（ 図1A）との接触を失うまで、後退します。生成された曲線は、アプリの両方のためのカンチレバーの距離の関数としての力を見せますゴキブリと後退。弾性率を含むいくつかの特性は、材料の硬さを測定し、そして接着力を導出することができます。
サポートされている脂質二重層は、固体支持体の上に横たわっている生体モデル膜である-通常マイカ、ホウケイ酸ガラス、石英ガラス、またはシリコン7を酸化しました。これらは、小胞の沈着、ラングミュア-ブロジェット法及びスピンコーティング8,9のような様々な技術を用いて調製されます。 AFMイメージングは、これらのサポートされている二重層10の形成は、次のとおりと異なる組成物11〜15の膜によって形成された異なる構造を探査するために使用されています。
アプローチ曲線のピークに支持された二分子層の結果に力分光法を行います。このピークは、二重層を貫通するのに必要な力を示しており、画期的な力と呼ばれています。二重層の厚さはまた、力曲線6を用いて測定することができます。二重層の代表的な画期的な力NN 6 1-50の範囲。これらの特性は、脂質充填（液体またはゲル相）と構造（アシル鎖長及び不飽和度）に依存し、膜活性剤16によって変更します。破裂の背後にある理論は、17を説明したが、そのようなカンチレバー柔らかさ、先端半径と接近速度などの他の実験パラメータも画期的な力15,16,18に影響を与えます。力分光法は、膜21の安定性に、異なる脂質相11,19、ペプチドのような組成的変化12,20、ならびに他の生体分子の効果の特性を分析するために使用されてきました。
サポートされている二重層のオリエンテーションフラットは、より良い構造および膜の性質を特徴づけるために、表面プラズモン共鳴、蛍光顕微鏡22と11,19等の他の方法でAFMを組み合わせるために有利で す。
この詳細なビデオプロトCOLは、小胞の沈着を使用してサポート脂質二重層を調製し、AFMおよび力分光法を用いてそれらを分析することを意図しています。様々なサイズの小胞は、二重層を調製するために使用することができるが、このプロトコルは、小規模および大単層ベシクルに焦点を当てています。相が液体注文（L 0）と液体無秩序（L d）が相に分離支持された二分子層は11,15を特徴づけました。 2：1の比率で膜を2にジオレオイルホスファチジルコリン（DOPC）、スフィンゴミエリン（SM）、およびコレステロール（Cholで）から構成されています。この組成物モデルタンパク質輸送および選別、細胞シグナリングおよびその他の細胞プロセス23,24のための重要なプラットフォームとして動作するように提案されている脂質ラフト、。
Protocol
Representative Results
Discussion
DOPCから成るのSLB：SM：Cholを（2：2：1）塩化カルシウムにより誘導される小胞の吸着および破裂後雲母上に形成されました。この脂質組成物は、L dとLのO相に分離しました。 LのO相は、スフィンゴミエリンとコレステロールに富むとL D相 11未満の流体/より粘性（ 図1A）です。 LのD相からL Oの分離は、周囲（ 図1B、C）<…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
この作品は（なし。0312040付与）マックス·プランク研究所、ドイツ癌研究センター、テュービンゲン大学、BundesministeriumエリーゼBildungウントForschungによってサポートされていました。
私たちは、私たちは、この原稿を注意深く読むための力曲線データと博士ヤコブSuckaleの分析を自動化を支援するためのエドゥアルドヘルマンに感謝します。
Materials
| 1,2-dioleoyl-sn-glycero-3-phosphocholine | Avanti Polar Lipids, Inc. | 850375P | Comes as lyophilized powder in sealed vials. Dissolve all powder in chloroform upon opening. Store extra as dried lipid films, under inert atmosphere, at -20°C. For more information on storage and handling visit http://www.avantilipids.com/index.php?option=com_content&view=article&id=1679&Itemid=398 |
| Sphingomyelin (Brain, Porcine) | Avanti Polar Lipids, Inc. | 860062P | Comes as lyophilized powder in large sealed plastic containers. Dissolve a spatula point of powder powder in chloroform upon opening. Store extra as dried lipid films, under inert atmosphere, at -20°C. For more information on storage and handling visit http://www.avantilipids.com/index.php?option=com_content&view=article&id=1679&Itemid=398 |
| Cholesterol | Avanti Polar Lipids, Inc. | 700000P | Comes as lyophilized powder in large sealed plastic containers. Dissolve a spatula point of powder powder in chloroform upon opening. Store extra as dried lipid films, under inert atmosphere, at -20°C. For more information on storage and handling visit http://www.avantilipids.com/index.php?option=com_content&view=article&id=1679&Itemid=398 |
| Sodium chloride (NaCl), 99.8% | Carl Roth GmbH + Co. KG | 9265.1 | |
| Potassium chloride (KCl), 88% | Sigma | P9541 | |
| Sodium hydrogenphosphate (Na2HPO4), >99% | AppliChem GmbH | A1046 | |
| Potassium dihydrogenphosphate (KH2PO4), 99% | Carl Roth GmbH + Co. KG | 3904.1 | |
| Calcium chloride dihydrate (CaCl2), molecular biology grade | AppliChem GmbH | A4689 | |
| HEPES, molecular biology grade | AppliChem GmbH | A3724 | |
| Glass coverslip, 24×60 mm, 1mm thickness | Duran Group | 2355036 | |
| Mica blocks | NSC Mica Exports Ltd. | These are mica pieces at least 1 sq. Inches in area and thickness randing from 0.006 inches to 0.016 inches. They are cut to a specific size by the company for shipping. Small mica discs can be punched from the mica blocks using the punch and die set. Always handle mica with gloves or tweezers. | |
| Punch and Die Set | Precision Brand Products, Inc | 40105 | |
| Optical Adhesive | Norland Products, Inc. | NOA 88 | Liquid adhesive that hardens when cured under long wavelength UV light. |
| Laboratory Equipment Grease | Borer Chemie AG | Glisseal N | |
| Liposome Extruder | Avestin | LiposoFast-Basic | As an alternative one can also look at offers from Northern Lipids, Inc. |
| Adhesive Tape | 3M | Scotch(R) Magic (TM) Tape 810 (1-inch) | |
| Bath Sonicator | Bandelin Sonorex Digitec | DT-31 | No heating, Frequency: 35 kHz, Ultrasonic Peak Output: 160 W, HF Power: 40 W. http://www.bandelin.com/datenblaetter/dt/DT_31_H_1798d_DE_GB_FR_BANDELIN.pdf |
| Silicon Nitride AFM Cantilever | Bruker AFM Probes | DNP-10 | Each cantilever has four tips and their nominal tip radius is 20 nm (with possible maximum at 60 nm). Based on the specifications, we use tip D with resonance frequency of 18 kHz, and nominal spring constant of 0.06 N/m. |
| AFM | JPK | JPK Nanowizard II mounted on Zeiss Axiovert 200 |
Referências
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